Go from PCB toner transfer making to 3-axis CNC G-code PCB making - part 4: Learning

Hur går det?

Har nu tillverkat en mängd kretskort med CAD och sen fräst ut dessa med en CNC fräs.

Inledningsvis så är inlärningskurvan brant, men även fortsatt ser inlärningskurvan ut att fortfarande var brant :-)

Att tillverka kretskort är en specialistverksamhet.....och verktyg för att tillverka är invecklade....och felfrekvensen är hög, mycket kan gå fel och det gör det ofta....

Med lite AI hjälp så är det numera enklare att hitta svar, man frågar AI och promptarna blir bättre och bättre, man kan fråga efter stegvisa instruktioner för olika steg i kretskortstillverkningen man har svårigheter med.

Man måste ha checklistor för de olika stegen i kretskortstillverkningen, speciellt för att hantera Gerber och för att hantera .nc filerna i respektive verktyg.

Just nu:

• Att göra enkelsidiga kretskort för hålmonterade komponenter på FR4 känns helt OK i nuläget. God repeterbarhet.
• Att  göra enkelsidiga kretskort för ytmonterade komponenter ner till storlek 0805 och ledningsbanor ner till 0.5mm  på FR4 1.6mm känns helt OK i nuläget.  God repeterbarhet.

Nästa steg är att få bättre resultat på:

• Non Copper Clearing/Rub out: bort med koppar under komponenter, försvårar lödpasta lödning idag.Kan göras med multi depth milling och en annan fräsbits, vertygsbyte.
  
  
• Milling bit calculation: Få grepp om den verkliga effektiva fräsbredden på fräsbits, skär ofta för brett, visar på begränsningar i CNC hårdvaran.
  
  
• Isolation routing: att fräsa 0.4- 0.2ish  mm smala ledningsbanor, dessa förstörs idag helt

0.4mm paj

0.4mm paj

• Multi-depth milling: att fräsa 0.4 och 0.2ish mm smala ledningsbanor i två steg för att minska risken för förstöra ledningsbanor och belastning/glapp i CNC hårdvaran.
  
  

Saker som inte varit prioriterande är:

• Kantfräsning, PCB contour routing: enklare att klippa med plåtsaxen, mindre damm
• Dubbelsidiga kretskortsbanor: enklare att dra en eller två ledare med kopplingskabel.

CNC förbättringar som gett bättre resultat:

• Z probe funktionen, ett måste för god repeterbarhet

Z probe

Z probe

• Ny motor på spindeln, bytte från en långsam 775 motor till en som kan gå över 10 000rpm och ända upp till 20 000rpm med rätt spänning. Ny motor är fortfarande en 775 motor som kan drivas av den inbyggda motordrivande 10Ampere fet transistorn i CNC kontrollerkortet. Hoppas att bytet från glidlager till kullager inte syns alltför mycket i fräsresultaten (återstår att se).
  
  Den långsamma motorn är misstänkt att orsaka V-bitens sidotryck på kopparbanorna var större, det märktes tydligt på små kopparlödytor som tenderade lossna så fort man lade på lödpasta och värme....provade med långsam X,Y matning men kanske inte långsamt nog....

20 000 rpm 775 motor

Speciella situationer som ställt till det i tillverkningsprocessen

• Jag har inga gränslägesbrytare för att kunna använda HOMING funktionen, så jag har en grbl sekvens i Candle som ställer spindeln på ett säker plats, min längd på Z är begränsad och kan ofta stöta i övre ändläget och Z kalibreringen blir oanvändbar 
  
  
• Mjukvaru bugg i Flatcam som gör Z kalibreringen helt oanvändbar för V-bits, Z djupet nollställs om man har grbl11 processing och senaste Flatcam versionen med V-bits data. Lösningen är en "workaround" då man anger att använda C (cylindrical, flat end)  bits, räknar först ut den effektiva fräsdiametern med kalkylatorn för V-bits och sen använder man den dimensionen för C1 bits. C bits är raka så man använder V-bits diametern vid det fräsdjupet som används, något som kalkylatorn i Flatcam kan ange. Man kan även byta processing till grbl med lite sidoeffekter.
  
  
• Billiga V-bits från öst är inte att lita på, fräsbredden på isolation routing blir oftast mycket bredare än tänkt. Spetsarna kan vara fula redan i boxen dom kommer i. Man måste inspektera och kassera vissa bits. Spetsdiametern är inte 0.10mm för alla bits i boxen, vissa är bredare än så. Tittar man på dyra V-bits så ligger styckpriset runt 600SEK, på dessa billiga ligger styckpriset runt 17SEK.
  
  Ska man tillverka 0.4 -> 0.2mm = 025mm isolationsfräsning - är det en chansning och man måste först göra "kretsbanekalibreringstestfräsningar" innan man vet vad man får, för varje V-bit man tänker använda på det slutliga kretskortet eftersom spetsarnas riktiga diameter är sådär....
  
  I teorin ska V-bits med 0.08 respektive 0.13 spetsar klara av att fräsa;
  0.005'' / 0.0762mm (0.08mm) = klarar 0.152mm spacing på PCB (minus CNC egenskaper)
  0.003'' / 0.127mm (0.13mm)  = klarar 0.254mm spacing på PCB /minus CNC egenskaper)
  
  En box med 10st riktiga V-bits med rätt spetsdiameter kostar runt 5900:-
  Med så smala och dyra spetsar måste man använda Z multi depth milling ?

Utmaningen att göra 0.4-> 0.20mm anslutningar till enstaka QFN ytmonterade komponenter fortsätter......

• Nr #1 Hårdvaruproblem!!!!!!!!
  Spindeln är inte centrerad, varken på den gamla eller nya snabbare spindelmotorn är bra.
  I båda motorerna finns en variation på 0.11-0.12mm över 360graders rotation.
  !!!!!!!!!! > dvs. frässpindeln gör förstorade hål och större fräsbredd <!!!!!!!
  Att fixa till detta blir nog 1:a prioritet innan gå vidare med några mer försök på 0.25 isolationsfräsning / 0.20mm ledare.
  
  Felet ligger i ER11 chuck, hylsa och spänninsats som tillverkats i öst.....precision kostar mer
  Har sett liknande problem med större borrchuckar från öst, har då bytt chuck tills ett exemplar uppvisar bra resultat. 

• Börja göra 0.4mm, resultat OK? gå vidare till 0.2mm...
  På de kretskort jag tänker göra behövs 0.2mm enbart runt enstaka QFN komponenters anslutningar som leds ut till bredare ledningar direkt.
  
  
• Bestämma dessa billiga V-bits effektiva fräs diameter vid ett viss skärdjup, måste provas fram med testkretskort för en utvald bit ur lådan med bits....
  
  
• Teoretiskt för 0.2mm krävs 0.127mm effektiv fräsdiameter om man gör en två-stegs Z djup fräsning med 10% överlapp, klarar CNC hårdvaran detta ?
  
  
• Multi depth isolation fräsning i steg om 0.025mm i Z ger 0.05 slutresultat, kanske kan man gå ned till 0.20mm för att nå 0.04mm. De flesta FR4 kretskort har 0.035mm (35um koppar) (+/- variationer i kopparskiktet) så det kan gå fel....
• För kretskort för mikrovåg är det vanligt med tunnare kopparlager, ett 0.2-0.3mm tjockt substrat kan ha runt 15um vilket gör fräsningen lite enklare med smala ledare...kanske? 
  
  
• Den nya högvarviga motorn bör få avstörningskondensatorer....